兆赫兹超声波换能器匹配电路的研究与设计

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1. 研究背景与意义

超声波换能器在医疗、工业检测等领域应用广泛，但其驱动电路在高频（如兆赫兹级别）下存在阻抗匹配困难、效率低等问题。本文针对1 MHz超声波换能器，提出了一种基于空心变压器的匹配电路设计，旨在实现高效能量传输并降低损耗。

2. 核心内容概述

• 研究目标：设计一种匹配电路，使负载网络呈弱感性，实现逆变电路开关管的零电压开通（ZVS），减少无功损耗。
• 关键技术：
  
  
  • 采用空心变压器，利用其等效激励电感与换能器进行阻抗匹配。
  • 对比分析了Litz线和漆包线在高频下的损耗特性，证明Litz线能显著降低欧姆损耗。
  • 通过仿真和实验验证了设计的可行性，输出电压峰峰值达221.7 V，瞬时功率1288.7 W。
    
    
  
  

3. 关键技术与创新点

• 空心变压器设计：
  
  
  • 通过等效电路分析（图2），推导了匹配网络的参数计算公式（如谐振电感 Lm=1ω2CsLm​=ω2Cs​1​）。
  • 实验表明，Litz线绕制的变压器在1 MHz下ESR（等效串联电阻）仅为5.22 mΩ，远低于漆包线的23.28 mΩ（表1）。
    
    
• 阻抗匹配网络：
  
  
  • 采用LCLC-S拓扑（图3），优化谐振补偿电容参数，确保负载网络呈弱感性。
  • 仿真结果显示，开关管电压电流波形无交叠（图6），实现了零电压开通。
    
    
• 驱动电路优化：
  
  
  • 全桥逆变器采用移相控制（图8），避免换能器因持续高功率损坏。
  • 输出波形正弦度高，拖尾小（图7、图11），满足换能器工作需求。
    
    
  
  

4. 实验结果与性能

• 输出性能：输入48 V直流电压，输出峰峰值电压221.7 V，瞬时功率1288.7 W（图12）。
• 效率对比：Litz线绕制变压器的损耗比漆包线降低约70%，验证了其在高频应用中的优势（图4、图5）。
  
  

5. 实际应用价值

• 医疗领域：适用于高频超声成像设备，提升信号质量和能效。
• 工业检测：为高频超声探伤仪提供稳定的驱动方案。
• 推广意义：解决了兆赫兹级超声波换能器驱动开发的难点，为高频功率电子设计提供参考。
  
  

6. 讨论与展望

• 未来改进：可进一步研究多频段匹配电路，适应更宽频率范围的换能器。
• 挑战：高频下电磁干扰（EMI）抑制需优化，以提升系统稳定性。
  
  

结语

本文通过理论分析、仿真和实验，验证了基于空心变压器的匹配电路在高频超声波换能器驱动中的有效性。Litz线的应用显著降低了高频损耗，为相关领域的设计提供了实用方案。

参考文稿：

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